1.1.1 约翰·冯·诺伊曼：自我复制自动机理论

作者: Peter Szor 出处:机械工业出版社　 (  ) 砖  (  ) 好  评论 ( ) 条 　进入论坛

更新时间：2007-04-24 17:58
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1.1.1 约翰·冯·诺伊曼：自我复制自动机理论
复制是生命组成的基本要素。约翰·冯·诺伊曼首次提出了用自我构建的自动机来描绘自然界的自我复制过程。
在冯·诺伊曼看来，一个系统由以下三个主要部分组成：
1) 一个通用机器（universal machine）。
2) 一个通用构造器（universal constructor）。
3) 保存在磁带上的信息。
通用机器（图灵机，Turing Machine）读取磁带存储器，通过使用磁带存储器上的信息，它能够通过构造器来逐块地重建其自身。该机器本身对这一过程是一无所知的—它仅仅是按照磁带存储器上提供的信息（指令）来执行。该机器只能从在重建其自身所需要的所有碎块中找到下一个合适的碎块：一个一个
地挑，直到找到合适的那一块为止。当合适的碎块找到之后，两个合适的碎块就按照指令被组合起来，这一过程一直持续，直到机器的自我复制全部完成。
如果在磁带存储器上可以找到重建另一系统所必需的信息，自动机就能够进行自我复制。最初的自动机被
重建（图1-1），然后新构建的自动机启动，又会开始同样的重建过程。 几年后，Stanislaw Ulam建议冯·诺伊曼使用细胞自动复制的过程来描述这一模型。因此冯·诺伊曼引入了细胞状态，来代替“机器部件”。因为细胞是根据一定的规则（“代码”）像机器人一样完成自我复制的，因此细胞可以被认为是一种自动机。这样的一组细胞就构成了细胞自动机（cellular automata，CA）计算机体系结构。
冯·诺伊曼改变了最初的模型结构，这个模型是二维的，使用了5个细胞、29个状态。他用200 000个细胞构建了一个可以自我复制的结构。诺伊曼的模型在数学上证明了自我复制结构的可能性：规则的无生命的部分（分子）可以组合成可以自我复制的结构（可能有生命的有机体）。
1948年9月，冯·诺伊曼提出了关于自我复制自动机系统的构想。仅仅五年后，1953年，Watson和Crick发现，生命体的DNA分子与存储信息的“磁带”起到类似的作用，它们也为生命体的复制系统提供必要的信息。
不幸的是，冯·诺伊曼在他的有生之年无法看到他的研究成果被证实，但是Arthur Burks完成了他未竟的事业。更进一步的工作由E.F. Codd于1968年完成。Codd简化了冯·诺伊曼的模型，他也使用5个细胞的环境，但每个细胞只有8种不同的状态。这种简化的模型是“自我复制环（self-replicating loops）”[6] 的基础，“自我复制环”是由人工生命学家（如Christopher G.Langton）在1979年提出的。这种复制环消除了系统中通用机器的复杂度，而将重点放在复制的需求上面。
1980年，在NASA/ASEE（美国国家航空航天局/美国工程教育协会），Robert A. Freitas Jr.和William B. Zachary[7] 领导了一项关于自我复制并生长的月球工厂的研究。他们研究一种月球上的制造设备（lunar manufacturing facility，LMF），这种设备利用自我复制自动机理论和已有的自动化技术，来构建一个可以在月球上自我复制并自我生长的工厂。Robert A. Freitas Jr.和Ralph C. Merkle最近写了一本名为《Kinematic Self-Replicating Machines》的书，这本书预示着科学家们对这一研究课题重新产生了兴趣。几年前，Freitas引入了ecophagy（可理解为对生态系统的吞噬。—译者注）这一术语，指理论上的由不受控制的、自我复制的纳米机器人引起的对整个生态系统的消耗，并且提出了缓解这一过程的建议[8]。
同样有趣的是，我们会发现自我复制的机器这一题材大量地出现在科幻作品中，例如《Terminator》（终结者）这类电影，还有类似作家Neal Stephenson和William Gibson写的小说。
当然，更多的例子从科幻变成了现实，如纳米技术、微电子机械系统（MEMS）工程已经成为真正的科学了。

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